JP2018124019A - Heat exchanger and heat exchange system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、液化天然ガス等の流体を加熱するための熱交換器及び熱交換システムに関する。 The present invention relates to a heat exchanger and a heat exchange system for heating a fluid such as liquefied natural gas.
一般に、液化天然ガス(LNG)を燃料として利用する際には、低温で貯蔵されたLNGを加熱して気化させ、更に場合によっては気化した天然ガス(NG)を過熱し、所要の温度まで昇温させる必要がある。この際、LNGを気化し、過熱するための装置として、例えば、シェルアンドチューブ型と呼ばれる型式の熱交換器が用いられる(例えば、下記特許文献1参照)。
In general, when liquefied natural gas (LNG) is used as a fuel, LNG stored at a low temperature is heated and vaporized, and in some cases, the vaporized natural gas (NG) is overheated to a required temperature. It needs to be warmed. At this time, as a device for vaporizing and overheating LNG, for example, a type of heat exchanger called a shell and tube type is used (for example, see
この種の熱交換器では、シェルの内部にLNGの流路としての管(チューブ)を収容し、前記シェルの内部に熱媒を流通させて、前記管内を流れるLNGと、前記管の周囲を流れる熱媒との間で熱交換させることでLNGの加熱を行うようになっている。 In this type of heat exchanger, a tube (tube) as a flow path of LNG is accommodated in the shell, a heat medium is circulated in the shell, and the LNG flowing in the tube and the periphery of the tube LNG is heated by exchanging heat with the flowing heat medium.
尚、以下では、熱交換器を用いてLNG等の被加熱流体を加熱する一連の工程のうち、液体の状態の被加熱流体を気化させる工程を「気化」、気体となった被加熱流体に更に熱を加えて昇温させる工程を「過熱」と特に呼称することとする。 In the following, among the series of steps of heating the heated fluid such as LNG using a heat exchanger, the step of vaporizing the heated fluid in a liquid state is referred to as “vaporization”. Further, the process of increasing the temperature by applying heat is specifically referred to as “overheating”.
上述の如き熱交換器では、要求される性能を満たすために、設計段階において管の径や長さ、本数、管同士の間隔、シェルの大きさといった仕様が適宜決定される。ここで、従来のシェルアンドチューブ型の熱交換器の場合、LNGの流路をなす管は、それぞれが入口から出口までを単一の管にて構成されている。すなわち、シェルの入口から出口に至る流路の全体に亘り、各管の径や本数、管同士の間隔等は同一である。 In the heat exchanger as described above, in order to satisfy the required performance, specifications such as the diameter and length of the tubes, the number of tubes, the interval between the tubes, and the size of the shell are appropriately determined in the design stage. Here, in the case of a conventional shell-and-tube heat exchanger, each of the pipes forming the LNG flow path is composed of a single pipe from the inlet to the outlet. That is, the diameter and number of each pipe, the interval between the pipes, and the like are the same over the entire flow path from the inlet to the outlet of the shell.
一方、LNGの気化に用いられる熱交換器では、上流側の流路における単位長さあたりの熱交換量と、下流側の流路における単位長さあたりの熱交換量とが大きく異なる。上流側では、液体であるLNGがNGへと気化する過程で熱媒から気化熱を奪うために熱交換量が大きいが、下流側では既に気化したNGを過熱する工程が行われるので、上流側と比較して熱交換量が小さい。 On the other hand, in the heat exchanger used for LNG vaporization, the heat exchange amount per unit length in the upstream flow path and the heat exchange amount per unit length in the downstream flow path are greatly different. On the upstream side, the amount of heat exchange is large in order to take heat of vaporization from the heat medium in the process of vaporizing LNG, which is liquid, to NG, but on the downstream side, a process of superheating vaporized NG is performed, so the upstream side The amount of heat exchange is small compared to
ところが、上述の如く、管の径や配置による流路の構成は上流側と下流側とで同一であり、設計上の熱交換に係る性能は、上流側と下流側とで差がない。したがって、上流側における熱交換量の大きさを考慮し、熱媒の凍結を防止し得るように管の径や配置を決定した場合、下流側では実際の熱交換量に対する設計上の性能が過大になってしまう。かと言って、逆に下流側での熱交換量に合わせて管を設計すれば、上流側では要求される熱交換量に対して設計上の性能が不足してしまうので、結局は上流側での熱交換量に合わせて全体を設計せざるを得ない。このように、従来のシェルアンドチューブ型の熱交換器では、要求される熱交換量に対して熱交換に係る性能が部分的に過剰となってしまい、その分、装置の構造に無駄な大型化が生じてしまっていた。装置の大型化は、据付架台の大型化を要して建造費の高騰を招くほか、積載可能な車両が限定されるなど、輸送上の制限をも生じ得る。 However, as described above, the flow path configuration according to the diameter and arrangement of the tubes is the same between the upstream side and the downstream side, and the performance related to heat exchange in design does not differ between the upstream side and the downstream side. Therefore, when the diameter and arrangement of the pipes are determined so as to prevent the heat medium from freezing in consideration of the amount of heat exchange on the upstream side, the design performance with respect to the actual heat exchange amount is excessive on the downstream side. Become. However, if the pipe is designed to match the amount of heat exchange on the downstream side, the design performance will be insufficient for the amount of heat exchange required on the upstream side. The entire design must be designed according to the amount of heat exchange. Thus, in the conventional shell and tube type heat exchanger, the performance related to the heat exchange is partially excessive with respect to the required heat exchange amount. Had happened. Increasing the size of the apparatus requires an increase in the size of the installation base, leading to an increase in construction costs, and may limit transportation in terms of limited vehicles that can be loaded.
本発明は、斯かる実情に鑑み、熱交換に係る性能を部分毎に最適化し、装置の大型化を抑え得る熱交換器及び熱交換システムを提供しようとするものである。 In view of such circumstances, the present invention intends to provide a heat exchanger and a heat exchange system that can optimize the performance related to heat exchange for each part and suppress the enlargement of the apparatus.
本発明は、被加熱流体を流通させる第一加熱ラインを内部に収容し、該第一加熱ラインの周囲に熱媒を供給するよう構成された第一シェルと、前記第一加熱ラインを通過した被加熱流体を流通させる第二加熱ラインを内部に収容し、該第二加熱ラインの周囲に熱媒を供給するよう構成された第二シェルと、前記第一シェルと前記第二シェルの間に位置し、内部に設けた空間に被加熱流体を流通させるよう構成された中間シェルとを備え、前記第一シェルにおける被加熱流体の流路断面積、被加熱流体の体積あたりの熱媒との接触面積、又は被加熱流体の体積あたりの熱媒の容量の少なくともいずれか一つが、前記第二シェルよりも大きくなるよう構成された熱交換器にかかるものである。 In the present invention, a first heating line for circulating a fluid to be heated is accommodated therein, and a first shell configured to supply a heat medium around the first heating line and the first heating line are passed. A second heating line for circulating a fluid to be heated is accommodated therein, a second shell configured to supply a heat medium around the second heating line, and between the first shell and the second shell And an intermediate shell configured to circulate a heated fluid in a space provided therein, and a flow path cross-sectional area of the heated fluid in the first shell, and a heat medium per volume of the heated fluid At least one of the contact area and the capacity of the heat medium per volume of the fluid to be heated is applied to the heat exchanger configured to be larger than the second shell.
本発明の熱交換器を具体的に実施するにあたっては、前記第一加熱ラインを複数の管として、前記第二加熱ラインを一本以上の管としてそれぞれ構成し、前記第一加熱ラインを構成する管の本数を前記第二加熱ラインを構成する管の本数より多くすることができる。 In concretely implementing the heat exchanger of the present invention, the first heating line is configured as a plurality of tubes, the second heating line is configured as one or more tubes, and the first heating line is configured. The number of tubes can be made larger than the number of tubes constituting the second heating line.
本発明の熱交換器を具体的に実施するにあたっては、前記第一加熱ライン及び前記第二加熱ラインをそれぞれ複数の管として構成し、前記第一加熱ラインを構成する管同士の間隔を前記第二加熱ラインを構成する管同士の間隔より広く設定し、且つ前記第一シェルの管に直交する断面の面積が前記第二シェルの管に直交する断面の面積より大きく設定することができる。 In concrete implementation of the heat exchanger of the present invention, the first heating line and the second heating line are each configured as a plurality of tubes, and the interval between the tubes constituting the first heating line is set to the first. The area of the cross section perpendicular to the pipe of the first shell can be set larger than the area of the cross section perpendicular to the pipe of the second shell.
本発明の熱交換器は、前記第一シェルの下部から前記第一加熱ラインに導入した被加熱流体を、前記中間シェルを介して前記第二加熱ラインの上方へ抜き出すよう構成することができる。 The heat exchanger of this invention can be comprised so that the to-be-heated fluid introduced into the said 1st heating line from the lower part of the said 1st shell may be extracted above the said 2nd heating line through the said intermediate shell.
また、本発明は、前記熱交換器に、被加熱流体の温度を検出する温度センサ又は被加熱流体の圧力を検出する圧力センサの少なくとも一方を備えた、請求項1に記載の熱交換器を用いた熱交換システムにかかるものである。
Further, the present invention provides the heat exchanger according to
本発明の熱交換システムにおいて、前記温度センサ又は前記圧力センサは前記中間シェルに備えられていることが好ましい。 In the heat exchange system of the present invention, it is preferable that the temperature sensor or the pressure sensor is provided in the intermediate shell.
本発明の熱交換器及び熱交換システムによれば、熱交換に係る性能を部分毎に最適化し、装置の大型化を抑え得るという優れた効果を奏し得る。 According to the heat exchanger and the heat exchange system of the present invention, it is possible to optimize the performance related to heat exchange for each part and to achieve an excellent effect of suppressing the increase in size of the apparatus.
以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
図1は本発明の第一実施例による熱交換器の形態を示している。本第一実施例の熱交換器1は、シェルアンドチューブ型に分類される型式であるが、管を内部に収容したシェルを上流側と下流側の二段に分割し、さらにその間を中間シェルで接続することにより、該二段のシェルの間で管による流路構成の変更を可能にした点を特徴としている。
FIG. 1 shows a heat exchanger according to a first embodiment of the present invention. The
図1に示す如く、熱交換器1は、LNG等の被加熱流体Lを内部に流通させる第一加熱ラインとしての複数の管2を収容した上流側の第一シェル3と、同様に被加熱流体Lを内部に流通させる第二加熱ラインとしての複数の管4を収容した第二シェル5とを備え、第一シェル3と第二シェル5との間を中間シェル6により接続してなる。第一シェル3と第二シェル5は、それぞれ内部に熱媒Aが導入されるようになっており、第一シェル3、第二シェル5内に導入された熱媒Aは、管2,4の周囲に供給されて該管2,4を介して被加熱流体Lと接触し、該被加熱流体Lと熱交換するようになっている。第二シェル5は中間シェル6を介して第一シェル3の上方に配置されており、上流側と下流側の管2,4はそれぞれ、第一シェル3又は第二シェル5の内部に鉛直方向に沿った向きで配置されている。
As shown in FIG. 1, the
第一シェル3は、全体として円柱形の形状をなす中空の部材であり、円筒状の面をなす側面3aの下面を底板3b、上面を上板3cにより覆われてなる。側面3aの適宜位置には、第一シェル3内に熱媒Aを導入するための熱媒入口3dと、第一シェル3から熱媒Aを導出するための熱媒出口3eが設けられている。ここに示した例では、側面3aの上端付近の一箇所に熱媒入口3dを備えており、側面3aの中心軸に関して熱媒入口3dとは反対側における下端付近の一箇所に熱媒出口3eを配置している。
The
第一加熱ラインを構成する管2は、底板3bから上板3cまで延びており、底板3b及び上板3cは、それぞれ第一シェル3の内部に備えられた管2の端部に貫通されている。こうして、被加熱流体Lが流通する管2内部の空間と、熱媒Aが流通する第一シェル3の内側で且つ管2の外部の空間とは互いに隔絶されている。
The
第一シェル3の内部には、管2と直交する面をなすように、二枚の邪魔板7a,7bが備えられている。このうち、上側に位置する邪魔板7aは、熱媒入口3dの下方において第一シェル3内の空間を横断するように区切っているが、この邪魔板7aは熱媒出口3e側の側面3aの内壁付近は閉塞しておらず、該内壁との間に開口が存在している。また、下側に位置する邪魔板7bは、熱媒出口3eの上方において水平方向に沿った面をなして第一シェル3内の空間を区切っているが、熱媒入口3d側の側面3aの内壁との間には開口が存在している。これらの邪魔板7a,7bは、各管2と交差する箇所においては管2に貫通されており、管2内部の被加熱流体Lの流路を妨げることはない。すなわち、邪魔板7a,7bは、管2内部の空間とは隔絶された第一シェル3内の空間に設置されている。
Inside the
熱媒入口3dから第一シェル3内に導入された熱媒Aは、まず第一シェル3内の上板3c付近を水平方向に沿って流れ、熱媒入口3dと反対側の側面3aの内壁付近にて邪魔板7aを迂回しつつ下方へ流れる。さらに、邪魔板7aと邪魔板7bの間を熱媒入口3d側に向かい水平方向に沿って流れた後、邪魔板7bを迂回しつつ下方へ向かい、底板3b付近を水平方向に沿って流れて熱媒出口3eに達する。このように、第一シェル3内に邪魔板7a,7bを熱媒Aの流路に対し互い違いに配することで、熱媒入口3dから導入された熱媒Aを管2の周囲を蛇行させつつ熱媒出口3eへと導くようになっている。こうして熱媒Aの流れを蛇行させることで、熱媒Aが管2を介して被加熱流体Lと接触する機会を増やし、熱交換効率を向上させるようにしている。尚、ここでは邪魔板として、二枚の邪魔板7a,7bを第一シェル3に備えた場合を例示したが、第一シェル3の寸法や熱媒入口3d、熱媒出口3eの配置等に合わせ、邪魔板の数はこれより増やすことも減らすことも可能である。邪魔板の数を増やす際には、上述の邪魔板7a,7bの如く、複数の邪魔板を互い違いに配置することで熱媒Aを蛇行させるようにすると、熱交換効率の面で有利である。
The heating medium A introduced into the
第二シェル5は、第一シェル3と概ね同様の構成を有しており、全体として円柱形の形状をなす中空の部材である。円筒状の面をなす側面5aの下面が底板5bに、上面が上板5cにより各々覆われており、第二加熱ラインを構成する管4が底板5bから上板5cまで延びている。底板5b及び上板5cは管4の端部に貫通され、管4内部の空間と、第二シェル5の内側で且つ管4の外部の空間とは互いに隔絶されている。側面5aの上端付近の一箇所には熱媒入口5dを備え、側面5aの中心軸に関して熱媒入口5dとは反対側における下端付近の一箇所に熱媒出口5eを備え、第二シェル5の内側で且つ管4の外部の空間に熱媒Aを流通させるようになっている。尚、ここに示した例では、第二シェル5には第一シェル3内の邪魔板7a,7bに相当する構成を備えていないが、第二シェル5の寸法や要求される熱交換量によっては、適宜邪魔板7a,7bと類似する邪魔板を備えるようにしても良い。
The second shell 5 has a configuration substantially similar to that of the
そして、本第一実施例の場合、第一シェル3と第二シェル5の間では、それぞれ内部に収容した管2と管4の本数が互いに異なっており、第一シェル3にて第一加熱ラインを構成する管2の本数が、第二シェル5にて第二加熱ラインを構成する管4の本数よりも多く設定されている。また、これに伴い、第一シェル3の直径は、第二シェル5の直径より大きく設定されている。尚、図1はあくまで熱交換器1の構成を概念的に説明する模式図であって、図1に示す管2や管4の径や本数等は必ずしも実際をそのまま反映してはいない。以下の図2〜図5でも同様である。
In the case of the first embodiment, between the
本第一実施例では、各管2の材質や径、肉厚は、各管4の材質や径、肉厚と同じであり、したがって、一本の管の単位長さあたりの熱交換に係る性能は、管2と管4の間で等しい。ただし、管2の本数が管4の本数よりも多いことで、第一加熱ライン全体としての流路断面積が、第二加熱ライン全体としての流路断面積よりも大きくなっている。したがって、仮に被加熱流体Lを同じ速さ且つ同じ密度で流通させた場合、第一加熱ラインを構成する管2全体の単位長さあたりに流れる被加熱流体Lの量は、第二加熱ラインを構成する管4全体の単位長さあたりに流れる被加熱流体Lの量よりも多くなる。また、仮に被加熱流体Lを同じ量で流通させた場合、管2を流れる被加熱流体Lの流速は、管4を流れる被加熱流体Lの流速よりも遅くなる。
In the first embodiment, the material, diameter, and thickness of each
中間シェル6は、下側の第一シェル3と、上側の第二シェル5との間に設置された中空の部材である。中間シェル6の側面6aは、全体として截頭円錐体の円錐面をなしており、該円錐面の下側の径は第一シェル3の上板3cの径に、上側の径は第二シェル5の底板5bの径にそれぞれ等しい。側面6aの下端及び上端は、第一シェル3の側面3aの上端及び第二シェル5の側面5aの下端にそれぞれ周溶接されており、中間シェル6の側面6aと、第一シェル3の上板3c及び第二シェル5の底板5bとにより截頭円錐体状の空間が形成されている。この空間は、第一加熱ラインをなす管2内部の空間及び第二加熱ラインをなす管4の内部の空間と連通しており、管2の外側で且つ第一シェル3の内側の空間、及び管4の外側で第二シェル5の内側の空間とは、それぞれ第一シェル3の上板3c及び第二シェル5の底板5bにより隔絶されている。こうして、中間シェル6は、管2により構成される第一加熱ラインと、管4により構成される第二加熱ラインとの間を連絡する被加熱流体Lの流路をなしている。
The intermediate shell 6 is a hollow member installed between the lower
第一シェル3の下方には、底板3bの下側を覆うように前室8が設けられており、被加熱流体Lはこの前室8に備えた被加熱流体入口8aから前室8の内部空間に供給され、ここから第一加熱ラインである管2に導入される。また、第二シェル5の上方には、上板5cの上側を覆うように後室9が設けられており、第二加熱ラインである管4を流通する被加熱流体Lは、後室9の内部空間に導かれた後、後室9に備えた被加熱流体出口9aから下流へと流れ出て行くようになっている。
A
こうして、本第一実施例の熱交換器1では、該熱交換器1下部の被加熱流体入口8aから前室8内に被加熱流体Lを導入し、管2に下方から流入させて第一シェル3内の熱媒Aと熱交換させた上で上方の中間シェル6に抜き出し、さらに該中間シェル6から管4の下方に流入させて第二シェル5内の熱媒Aと熱交換させ、後室9から上方の被加熱流体出口9aを通して抜き出すようになっている。
Thus, in the
この際、上述の如く、第一加熱ラインを構成する管2の本数は、第二加熱ラインを構成する管4の本数よりも多い。したがって、被加熱流体Lの体積あたりの熱媒Aとの接触面積は、管2において管4よりも大きい。また、管2では、本数が多い分、被加熱流体Lの流路断面積の合計が管4よりも大きいため、被加熱流体Lの流速が遅い。このため、被加熱流体Lが管2内をゆっくりと流通しながら加熱されることになるので、単位長さあたりの熱交換量が大きくなる。これにより、第一シェル3における熱交換に係る性能は、第二シェル5よりも高くなっている。
At this time, as described above, the number of the
上述の如く、第一シェル3では、低温の液体として流入する被加熱流体Lの気化が主に行われ、熱媒Aから多量の気化熱が奪われるため、多量の熱交換を必要とする。被加熱流体Lと熱媒Aとの接触面積が大きく、且つ被加熱流体Lの流速が小さければ、その分、多くの熱を熱媒Aから被加熱流体Lへ受け渡すことができるので、第一シェル3において効率よく被加熱流体Lが気化される。
As described above, in the
また、この際、第一シェル3では、管2同士の間隔を管4同士の間隔より広く取っている。また、第一シェル3の管2に直交する断面の面積は、第二シェル5の管4に直交する断面の面積より大きくしてあるので、第一シェル3内の熱媒Aの容量は、管2を流通する被加熱流体Lの体積に対して十分に大きく確保されている。したがって、被加熱流体Lの気化により多量の熱を奪われた熱媒Aが凍結するような事態は未然に防ぐことができる。
At this time, in the
一方、第二シェル5では、第一シェル3にて気化された被加熱流体Lが流通し、ここでは該被加熱流体Lの過熱が行われるのみであるので、要求される熱交換効率は小さい。したがって、第一シェル3と比較して被加熱流体Lの熱媒Aとの接触面積が小さく、流速が速くても、性能上の問題は生じない。
On the other hand, in the second shell 5, the heated fluid L vaporized in the
このように、本第一実施例の熱交換器1では、従来は一段であったシェルを第一シェル3と第二シェル5の二段に分割することで、熱交換器1の上流側と下流側とで流路構成を変更し、熱交換に係る性能を異ならしめることができる。したがって、第一シェル3と第二シェル5を、各々熱交換に際して要求される性能に合わせて設計し、熱交換器1の各部の性能を、各部に要求される性能に見合うように最適化することが可能である。従来の熱交換器では熱交換に係る性能が過剰となっていた下流側の流路を、本来必要とされる性能に見合った構造とすることができるので、結果的に性能余剰分の流路に係る構成を削減することができ、装置の大型化を抑えることができる。この際、第一シェル3と第二シェル5との間には、被加熱流体Lの流路として中間シェル6を介在させているので、第一シェル3と第二シェル5との間で管2,4による流路構成が異なるとしても、被加熱流体Lの流通に関して不都合は生じない。
As described above, in the
また、このとき、各管2を通過した被加熱流体Lは、中間シェル6に抜き出されてから下流の管4に導入されるので、中間シェル6に流入した段階で一旦混ざり合ってから管4に流入することになる。したがって、仮に管2の出口における被加熱流体Lの温度に関し、管2間でばらつきがあったとしても、中間シェル6において各管2から抜き出された被加熱流体Lが混ざり合った結果、後に管4の上方から抜き出される被加熱流体Lの温度が均質化されるという効果も期待できる。
At this time, the heated fluid L that has passed through each
ここで、図1では中間シェル6の内部に構造物等を特に備えていない場合を例示しているが、例えばこの部分に、被加熱流体Lの流れを誘導する整流板や、中間シェル6の強度を確保するための構造材等を別途備えても良い。 Here, FIG. 1 exemplifies a case where a structure or the like is not particularly provided inside the intermediate shell 6. For example, a rectifying plate that induces the flow of the heated fluid L or an intermediate shell 6 is provided in this portion. A structural material or the like for securing the strength may be separately provided.
また、管2,4については、それぞれの長さを適宜変更することで、熱媒Aと接触する流路長を調節し、以て第一シェル3及び第二シェル5それぞれにおける熱交換量を調整することができる。すなわち、管2の長さは被加熱流体Lの気化を適切に実行可能な流路長に、管4の長さは気化した被加熱流体Lを必要な温度に過熱可能な流路長に、それぞれ設計段階において適宜設定すれば良い。
Moreover, about the pipe |
第一シェル3及び第二シェル5では、上述の如く、各々上端付近に備えた熱媒入口3d,5dから、下端付近に備えた熱媒出口3e,5eに向けて熱媒Aが流通するようになっている。一方、管2や管4を流通する被加熱流体Lは下から上に向かって流れるので、被加熱流体Lの流れと熱媒Aの流れは全体として互いに上下に向かい合う対向流をなしている。熱媒Aにとっては、第一シェル3又は第二シェル5の上方から下方に向かって徐々に熱を奪われて温度が低下していき、被加熱流体Lにとっては、下方から上方に向かいより温度の高い熱媒Aと次々に接触して熱を受け取る形となるので、効率の良い熱交換が可能となっている。
In the
このようにシェルを分割した構造には、強度や耐久性の面でも利点がある。従来の熱交換器では、流路を構成する各管を上流から下流までそれぞれ単一の長い管としているために剛性が小さくなり、ねじれや振動、それらによる変形等が発生しやすくなる傾向があった。本第一実施例の熱交換器1の場合、第一加熱ライン及び第二加熱ラインを構成する管2及び管4は、それぞれの長さが分割された各シェル(第一シェル3、第二シェル5)の長さと等しいため、従来の一段のシェルによる熱交換器と比較して全長が著しく短い。したがって、各管2,4の剛性を保ちやすく、振動や変形といった問題を容易に回避することができる。
The structure in which the shell is divided in this manner has advantages in terms of strength and durability. In the conventional heat exchanger, each pipe constituting the flow path is a single long pipe from the upstream to the downstream, so that the rigidity is reduced, and there is a tendency that torsion, vibration, deformation due to them tend to occur. It was. In the case of the
ここで、上述の第一実施例では、管2,4を収容した二個のシェル(第一シェル3、第二シェル5)の間に一個の中間シェル6を備えた二段式の熱交換器1を例示したが、本発明の構成はこれに限定されない。例えば、管を収容したシェルを合計三個とし、該三個のシェル同士の間に二個の中間シェルを備えた三段式の熱交換器とすることもできるし、段数を更に多くしても構わない。その他、熱交換器一台あたりの各シェルの個数は適宜変更することが可能である。このことは、後述する第二〜第四実施例においても同様である。
Here, in the first embodiment described above, a two-stage heat exchange in which one intermediate shell 6 is provided between two shells (
以上のように、上記本第一実施例の熱交換器1においては、第一加熱ライン2を収容した第一シェル3と、前記第一加熱ライン2の下流に位置する第二加熱ライン4を収容した第二シェルと、前記第一シェル3と前記第二シェル5の間に位置し、内部に設けた空間に被加熱流体Lを流通させるよう構成された中間シェル6とを備え、前記第一シェル3における被加熱流体Lの流路断面積、被加熱流体Lの体積あたりの熱媒Aとの接触面積、又は被加熱流体Lの体積あたりの熱媒Aの容量の少なくともいずれか一つが、前記第二シェル5よりも大きくなるよう構成されているので、第一シェル3における熱交換に係る性能を第二シェル5と異ならしめることができる。
As described above, in the
本発明の熱交換器1において、前記第一加熱ライン2は複数の管2として、前記第二加熱ライン4は一本以上の管4としてそれぞれ構成されており、管2の本数が管4の本数より多いので、簡単な構成により、第一シェル3における被加熱流体Lの流路断面積と、被加熱流体Lの体積あたりの熱媒Aとの接触面積を第二シェル5よりも大きくすることができる。
In the
本発明の熱交換器1においては、管2同士の間隔が管4同士の間隔より広く設定され、且つ前記第一シェルの管に直交する断面の面積が前記第二シェルの管に直交する断面の面積より大きく設定されているので、簡単な構成により、第一シェル3における被加熱流体Lの体積あたりの熱媒Aの容量を第二シェル5よりも大きくすることができる。
In the
本発明の熱交換器1は、前記第一シェル3の下部から前記第一加熱ライン2に導入した被加熱流体Lを、前記中間シェル6を介して前記第二加熱ライン4の上方へ抜き出すよう構成されているので、下方から導入した被加熱流体Lを上方へ抜き出す型式の熱交換器1に関し、熱交換に係る性能を部分毎に最適化することができる。
In the
したがって、上記本第一実施例の熱交換器によれば、熱交換に係る性能を部分毎に最適化し、装置の大型化を抑え得る。 Therefore, according to the heat exchanger of the first embodiment, the performance related to heat exchange can be optimized for each portion, and the increase in size of the apparatus can be suppressed.
図2は本発明の第二実施例による熱交換器の形態を示している。基本的な構成は上記第一実施例の熱交換器1(図1参照)と同様であるが、本第二実施例の熱交換器21の場合、上流側の第一シェル23と下流側の第二シェル25との間で、管22と管24の本数ではなく、径と配置を異ならせることで、熱交換に係る性能の最適化を図っている。
FIG. 2 shows a heat exchanger according to a second embodiment of the present invention. The basic configuration is the same as that of the heat exchanger 1 (see FIG. 1) of the first embodiment, but in the case of the
具体的には、上流側の第一加熱ラインを構成する管22では、下流側の第二加熱ラインを構成する管24と比較して径が大きくしている。このようにすると、管22における被加熱流体Lの体積あたりの熱媒Aとの接触面積は管24よりも小さいものの、被加熱流体Lの管22における流速は管24における流速よりも小さくなる。流速を十分に小さく取れば、単位長さあたりの熱交換量を大きくすることができるので、被加熱流体Lの気化が行われる上流側の第一シェル23において要求される熱交換に係る性能を十分に確保することができる。また、この際、合わせて第一加熱ラインを構成する管22同士の間隔を広く取ると共に、第一シェル23の断面積を大きくすることで、熱交換に十分な量の熱媒Aを管22間に流通させ、熱媒Aの凍結を防止することができる。一方、気化した被加熱流体Lの過熱を行う第二シェル25では、熱交換に関して第一シェル23ほどの性能は要求されず、熱媒Aが凍結する虞もないので、管24の径を小さくして被加熱流体Lの流速を速くし、管24同士の間隔を狭くして第二シェル25の断面積を小さくしても特に問題はない。
Specifically, the diameter of the
その他の構成や作用効果については上記第一実施例の熱交換器と同様であるため説明を省略するが、上記本第二実施例の熱交換器によっても、熱交換に係る性能を部分毎に最適化し、装置の大型化を抑え得る。 Since other configurations and operational effects are the same as those of the heat exchanger of the first embodiment, the description thereof will be omitted. It can optimize and suppress the enlargement of the device.
図3は本発明の第三実施例による熱交換器の形態を示している。基本的な構成は上記第一、第二実施例の熱交換器1(図1参照)及び熱交換器21(図2参照)と同様であるが、本第三実施例の熱交換器31の場合、上流側の第一シェル33の管32の本数を下流側の第二シェル35の管34の本数より多くすると共に、各管32の径を各管34の径より小さくしている。これにより、第一加熱ラインを構成する管32では、被加熱流体Lの体積あたりの熱媒Aとの接触面積が、第二加熱ラインを構成する管34よりも大きくなっている。管32における被加熱流体Lの流路断面積の合計は、管34における流路断面積の合計と等しい。
FIG. 3 shows a heat exchanger according to a third embodiment of the present invention. The basic configuration is the same as that of the heat exchanger 1 (see FIG. 1) and the heat exchanger 21 (see FIG. 2) of the first and second embodiments, but of the
このようにすると、被加熱流体Lの流速は管32と管34との間でさほど大きな差はない(ただし、管34には気化された被加熱流体Lが流通するため、管32内に液相の状態で流通する被加熱流体Lより流速は速くなる)が、管32では熱媒Aとの接触面積が大きいことによって高い熱交換効率が確保される。
In this way, the flow rate of the heated fluid L is not significantly different between the
ここで、本第三実施例では、管32を管34より多数設置することで第一加熱ライン32における被加熱流体Lと熱媒Aとの接触面積を大きくしているが、接触面積の調整は管本数の変更に限らず、例えば管32の形状を変更することによっても可能である。例えば、管32を扁平管、管34を円形管として構成すれば、仮に管32と管34との間で合計の流路断面積が等しくても、管32における被加熱流体Lと熱媒Aとの接触面積は管34よりも大きくなる。
Here, in the third embodiment, the contact area between the heated fluid L and the heating medium A in the
その他の構成や作用効果については上記第一実施例の熱交換器と同様であるため説明を省略するが、上記本第三実施例の熱交換器によっても、熱交換に係る性能を部分毎に最適化し、装置の大型化を抑え得る。 Since other configurations and operational effects are the same as those of the heat exchanger of the first embodiment, the description thereof will be omitted. However, the heat exchanger of the third embodiment also performs heat exchange performance for each part. It can optimize and suppress the enlargement of the device.
図4は本発明の第四実施例による熱交換器の形態を示しており、基本的な構成は上記第一〜第三実施例の熱交換器1,21,31(図1〜3参照)と同様である。本第四実施例の熱交換器41では、上流側の第一シェル43の管42の本数は、下流側の第二シェル45の管44の本数と同じであり、また、各管42と各管44の径も等しい。すなわち、被加熱流体Lの体積あたりの熱媒Aとの接触面積は、管42と管44との間で差がなく、また、被加熱流体Lの流速にも、液相の流速と気相の流速の差以上に大きな差はない。ただし、第一シェル43では、管42同士の間隔を、第二シェル45内における管44同士の間隔よりも広く取っており、管42間をより多くの熱媒Aが流通するようになっている。また、第一シェル43の管42に直交する断面の面積は、第二シェル45の管44に直交する断面の面積より大きく、第一シェル43内の熱媒Aの容量は第二シェル45よりも大きくなっている。
FIG. 4 shows the form of the heat exchanger according to the fourth embodiment of the present invention, and the basic configuration is the
このようにすると、第一シェル43では、管42を流通する被加熱流体Lの体積に対し、該被加熱流体Lと熱交換する熱媒Aの容量が十分に大きい。したがって、被加熱流体Lの気化が行われる第一シェル43において、被加熱流体Lと熱媒Aの熱交換量を大きくすると共に、熱媒Aの凍結を防止することができる。
In this way, in the
その他の構成や作用効果については上記第一実施例の熱交換器と同様であるため説明を省略するが、上記本第四実施例の熱交換器によっても、熱交換に係る性能を部分毎に最適化し、装置の大型化を抑え得る。 Since other configurations and operational effects are the same as those of the heat exchanger of the first embodiment, the description thereof will be omitted, but the heat exchanger of the fourth embodiment also performs heat exchange performance for each part. It can optimize and suppress the enlargement of the device.
図5は上述の如き本発明の熱交換器を適用した熱交換システムの一例を示している。ここでは熱交換器として、上記第一実施例(図1参照)と同じ熱交換器1を採用した場合を例示している。
FIG. 5 shows an example of a heat exchange system to which the heat exchanger of the present invention as described above is applied. Here, a case where the
本熱交換システムでは、熱交換器1のシェルが上流側と下流側の二段に分割された構成を利用し、上流側の第一シェル3と、下流側の第二シェル5に供給する熱媒Aの流量をそれぞれ個別に調整できるようにしている。
In this heat exchange system, heat supplied to the
ポンプ10は、熱媒Aとして海水を汲み上げ、熱媒供給流路11を介して第一シェル3と第二シェル5に送り込むようになっている。熱媒供給流路11は、ポンプ10の下流で第一分岐路11aと第二分岐路11bとに分岐しており、第一分岐路11aは第一シェル3の熱媒入口3dに、第二分岐路11bは第二シェル5の熱媒入口5dに、それぞれ接続されている。第一分岐路11a及び第二分岐路11bの途中には、それぞれ第一熱媒流量弁12及び第二熱媒流量弁13が備えられており、ここでポンプ10から第一シェル3又は第二シェル5に送り込まれる熱媒Aの量を調整できるようになっている。熱媒入口3d,5dから第一シェル3、第二シェル5に送り込まれた熱媒Aは、それぞれ熱媒出口3e又は熱媒出口5eから排出される。尚、ここでは熱媒Aとして海水を流通させる場合を例示したが、この他に、例えば不凍液等の熱媒を加熱しつつ循環させる方式を採用しても良い。
The
ポンプ10の出力は、制御装置14からポンプ10に入力される流量制御信号10aにより制御され、これにより、熱媒供給流路11に送り込まれる熱媒Aの流量が操作される。制御装置14は、熱交換器1を利用した熱交換システム全体を制御する制御装置であり、第一熱媒流量弁12、及び第二熱媒流量弁13の開度をも、それぞれ開度信号12a,13aを介して制御するようになっている。
The output of the
熱交換器1の中間シェル6には温度センサ15と圧力センサ16が備えられており、該温度センサ15と圧力センサ16は、中間シェル6内における被加熱流体Lの温度及び圧力を検出し、それぞれ温度信号15a及び圧力信号16aとして制御装置14に入力するようになっている。
The intermediate shell 6 of the
熱交換器1下部の前室8に備えた被加熱流体入口8aには、タンク17から被加熱流体供給流路18を介して被加熱流体Lが供給される。被加熱流体供給流路18の途中には被加熱流体流量弁19が備えられており、この被加熱流体流量弁19の開度を変更することにより、熱交換器1に供給される被加熱流体Lの量を調整することができるようになっている。被加熱流体流量弁19の開度は、制御装置14から入力される開度信号19aにより操作される。
The heated fluid L is supplied from the
以上の構成により、制御装置14では、中間シェル6における被加熱流体Lの温度や圧力の検出値に基づき、熱交換器1への被加熱流体Lの供給量や、第一シェル3、第二シェル5への熱媒Aの供給量を適宜調整することができる。熱媒Aの温度等は気候等の諸条件により変動するので、中間シェル6にて被加熱流体Lの状態を常時監視しておき、例えば、被加熱流体Lの温度が低い場合には、ポンプ10からの熱媒Aの供給量を増加させると共に第二熱媒流量弁13の開度を大きくして第二シェル5に供給される熱媒Aの量を増加させ、第二シェル5における熱交換量を増やして被加熱流体Lの過熱量を増大させる。また例えば、中間シェル6における被加熱流体Lの圧力が低いようであれば、ポンプ10からの熱媒Aの供給量を増加させると共に第一熱媒流量弁12の開度を大きくして第一シェル3に供給される熱媒Aの量を増加させ、第一シェル3における熱交換量を増やして被加熱流体Lの気化を促進する。あるいは、被加熱流体流量弁19の開度を大きくして被加熱流体Lの供給量を増やすこともできる。この他、制御装置14では、検出される被加熱流体Lの温度や圧力により、被加熱流体Lや熱媒Aの供給量に関し種々の調整を実行することができる。尚、ここでは被加熱流体Lの状態を監視するためのセンサとして温度センサ15と圧力センサ16を備えた場合を例示しているが、温度センサ15と圧力センサ16のいずれか一方のみを備えて被加熱流体Lや熱媒Aの供給量を制御するよう構成することも可能である。
With the above configuration, in the
このとき、本実施例の熱交換システムでは、主に被加熱流体Lの気化が行われる第一シェル3への熱媒Aの供給と、被加熱流体Lの過熱が行われる第二シェル5への熱媒Aの供給とを別々に制御するようにしているので、気化量と過熱量を各々個別に操作することが可能である。したがって、最終的に被加熱流体出口9aから排出される被加熱流体Lの量や温度を所要の状態に保つにあたっての操作が容易である。
At this time, in the heat exchange system of the present embodiment, the supply of the heat medium A to the
また、熱交換器1における被加熱流体Lの状態を把握するにあたり、温度センサ15や圧力センサ16の設置箇所を、気化の行われる第一シェル3と過熱の行われる第二シェル5との中間地点にあたる中間シェル6としている。気化から過熱に至る途中の地点にて被加熱流体Lの状態を監視するので、例えば前室8や後室9に温度センサ15や圧力センサ16を取り付ける場合と比べ、熱交換器1内における被加熱流体Lの加熱状況を適切に把握することが可能である。
Moreover, in grasping the state of the fluid L to be heated in the
以上のように、上記本実施例の熱交換システムは、前記熱交換器1に温度センサ15又は圧力センサ16の少なくとも一方を備えているので、熱交換器1による被加熱流体Lの気化量と過熱量を各々個別に操作することができ、最終的に排出される被加熱流体Lの量や温度を所要の状態に保つにあたって操作を容易にすることができる。
As described above, since the heat exchange system of the present embodiment includes at least one of the
本発明の熱交換システムにおいて、前記温度センサ15又は前記圧力センサ16は前記中間シェル6に備えられているので、熱交換器1内における被加熱流体Lの加熱状況を適切に把握することができる。
In the heat exchange system of the present invention, since the
その他の構成や作用効果については、システム中に採用している上記第一実施例の熱交換器の作用効果と同様であるため説明を省略するが、上記本実施例の熱交換システムによれば、熱交換に係る性能を部分毎に最適化し、装置の大型化を抑え得る。 Other configurations and operational effects are the same as the operational effects of the heat exchanger of the first embodiment employed in the system, and thus the description thereof will be omitted. However, according to the heat exchange system of the present embodiment, The performance related to the heat exchange can be optimized for each part, and the size of the apparatus can be suppressed.
尚、本発明の熱交換器及び熱交換システムは、上述の実施例にのみ限定されるものではなく、被加熱流体としてはLNG以外にも種々の流体を想定し得ること等、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。 The heat exchanger and heat exchange system of the present invention are not limited to the above-described embodiments, and various fluids other than LNG can be assumed as the fluid to be heated. Of course, various changes can be made without departing from the scope of the invention.
1 熱交換器
2 第一加熱ライン(管)
3 第一シェル
4 第二加熱ライン(管)
5 第二シェル
6 中間シェル
15 温度センサ
16 圧力センサ
21 熱交換器
22 第一加熱ライン(管)
23 第一シェル
24 第二加熱ライン(管)
25 第二シェル
31 熱交換器
32 第一加熱ライン(管)
33 第一シェル
34 第二加熱ライン(管)
35 第二シェル
41 熱交換器
42 第一加熱ライン(管)
43 第一シェル
44 第二加熱ライン(管)
45 第二シェル
A 熱媒
L 被加熱流体
1
3
5 Second shell 6
23
25
33
35
43
45 Second shell A Heating medium L Heated fluid
Claims (6)
前記第一加熱ラインを通過した被加熱流体を流通させる第二加熱ラインを内部に収容し、該第二加熱ラインの周囲に熱媒を供給するよう構成された第二シェルと、
前記第一シェルと前記第二シェルの間に位置し、内部に設けた空間に被加熱流体を流通させるよう構成された中間シェルとを備え、
前記第一シェルにおける被加熱流体の流路断面積、被加熱流体の体積あたりの熱媒との接触面積、又は被加熱流体の体積あたりの熱媒の容量の少なくともいずれか一つが、前記第二シェルよりも大きくなるよう構成された熱交換器。 A first shell configured to house a first heating line through which a fluid to be heated is circulated, and to supply a heat medium around the first heating line;
A second shell configured to house a second heating line for circulating the fluid to be heated that has passed through the first heating line, and to supply a heating medium around the second heating line;
An intermediate shell located between the first shell and the second shell, and configured to circulate a fluid to be heated in a space provided therein;
At least one of the flow path cross-sectional area of the heated fluid in the first shell, the contact area with the heating medium per volume of the heated fluid, or the capacity of the heating medium per volume of the heated fluid is the second A heat exchanger configured to be larger than the shell.
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